灾害防御区域气象观测站服务数据监测系统设计

2022-02-16康庄

计算机测量与控制 2022年1期

康庄

(1.成都信息工程大学网络空间安全学院，成都 610225; 2.河南省商丘市气象局，河南商丘 476000)

0 引言

近年来，我国自然灾害发生概率较大，给社会经济造成无法估量的巨大损失[1]。因此需要建立一套有效的防范机制，在灾害来临之前能够提前作出预警，使人们及时做好防御和撤离等有效措施。由于自然灾害种类多，地域分布广，极易引发山洪暴发和山体滑坡等灾害。气象预警监测人员通过预警信息系统及时向当地气象局发送预警信息，相关管理人员立即将接到的预警信息转发或通知当地群众，并通过电子显示屏和扬声器播放，使预警信息迅速遍布各个地方[2]。但是，由于大部分区域自动气象站建在农村地区，地域限制导致监测站数量较少，看护监测能力差[3]。

就当前情况，提出了基于物联网技术的灾害防御区域气象观测站服务数据监测系统设计方案，该系统结合物联网数据挖掘方案，结合人工智能手段，监测观测站服务数据。然而，该系统一旦断网就无法正常使用，导致数据监测精度较低；使用基于专家知识决策的灾害防御区域气象观测站服务数据监测系统设计方案，该系统通过监督和非监督方式实现观测数据的快速分类，由此进行服务数据监测。然而，该系统存在分类样本过多、方式复杂，可能会产生错误信息，导致数据监测精度较低。面对该情况，提出了灾害防御区域气象观测站服务数据监测系统设计。

1 系统硬件结构设计

根据灾害防御区域气象灾害的特点，构建观测站服务数据监测系统，该系统包括灾害监测子系统，预警子系统和防御子系统三大部分，如图1所示。

图1 系统硬件结构

由图1可以看出，数据库服务中心作为核心内容，能够实现全程自动化的数据采集、传输、存储和处理，以及报警和信息发布等功能。以数据库服务中心为基础，依据监测子系统监测气象信号，利用预警子系统通报气象信号，通过防御子系统实时记录和处理预警信息，为灾害危险探测引擎提供数据支持。利用网络GIS服务器和因特网联网，使用户能够快速查询探测信息[4]。

1.1 监测子系统

监测子系统主要是对气象信号进行实时监测，能够提前预测灾害发生的可能性，在灾害发生之前争取更多的时间来采取相应的防范措施[5]。

监测子系统结构如图2所示。

图2 监测子系统结构

由图2可知，本系统采用现场数据采集、无线数据传输和数据处理中心相结合的方式，利用TS910计量通信系统实时采集降雨、位移、土地变化、气候变化等参数的视频图像，并通过仪器供电的无线网络及时准确地向中心平台传输数据[6]。中心数据平台对返回的数据进行处理和分析，实时掌握和显示现场降雨量及地质变化情况，并结合现场视频图像进行预警[7]。

监测子系统各个模块如下所示。

1)森林火灾监测模块:

该监测模块是对森林防火工作进行科学规范的信息化管理，能够及时发现和报告火灾隐情[8]。先进的数字化森林监控是消除森林火灾隐患，切实提高森林环境保护工作效率和质量的重要手段[9]。

2)气象在线监控模块:

在线气象监测系统可监测降雨量、风量和光照强度，并将数据反馈到有关部门，用于发布洪水和台风预警以及采取相关措施，以便公众根据自然气象信息及时安排农业、生活和出行以及旅游活动等[10]。

3)地质监测模块:

该监测模块能实时采集、传输、计算和分析地质相关监测数据，实时掌握作业安全状况，能够帮助管理部门分析历史数据变化过程和现状，以便提早发现和预测[11]。一旦位移量或移位速率超过报警边界值等异常情况下，系统及时发出预警信息[12]。

1.2 预警子系统

针对预警子系统设计，需结合移动通信网络部署监测网点，并利用预警信号的方式进行及时的通报[13]。预警子系统结构如图3所示。

图3 预警子系统结构

由图3可知，依据气象观测站服务数据，将预警信号分为四个等级，分别是一般、较重、严重和特别严重，将这四种等级用LED指示灯来表示，分别是蓝色、黄色、橙色和红色[14]。

1.2.1 高温预警

当炎热夏季来临时，经常会出现高温多雨的天气，需对极端天气进行预警[15]。当连续三天温度都高于35 ℃，则系统自动触发LED灯，黄灯亮起；当24小时内温度超过了35 ℃，则系统自动触发LED灯，橙灯亮起；在任意时刻下，温度超过了40 ℃，则系统自动触发LED灯，红灯亮起。

1.2.2 结冰预警

路面结冰给正常交通带来较大影响。当路面温度低于0 ℃，并伴有降水，在未来12小时内有50%机会路面结冰，则系统自动触发LED灯，黄灯亮起；当路面温度低于0 ℃，并伴有降水，在未来6小时内有50%机会路面结冰，则系统自动触发LED灯，橙灯亮起；当路面温度低于0 ℃，并伴有降水，在未来2小时内有50%机会路面结冰，则系统自动触发LED灯，红灯亮起[16]。

1.2.3 雷电预警

雷电灾害是一种危险性极大的自然灾害，极易引发火灾或对人们生命造成威胁。当未来12小时内有50%机会出现雷电活动，则系统自动触发LED灯，黄灯亮起；当未来6小时内有50%机会出现雷电活动，则系统自动触发LED灯，橙灯亮起；当未来2小时内有50%机会出现雷电活动，则系统自动触发LED灯，红灯亮起[17]。

1.2.4 干旱预警

1.3 防御子系统

为了避免该系统在监测过程中，受到外界环境干扰，设计了防御子系统[19]。该系统主要是由灾害防御区域气象观测中心站和灾害危险探测引擎组成的，其中灾害防御区域气象观测中心站通过实时记录和处理预警信息，为灾害危险探测引擎提供数据支持。而灾害危险探测引擎负责结合移动通信网对数据包进行捕获、处理和响应。

2 系统软件部分设计

根据监测系统需求，设计了智能化软件系统，实现对数据资料的监测、处理、分析与显示。

2.1 服务数据处理功能

在ArcGIS业务数据处理模块中，数据组织具有特殊性。为了实现数据的自动处理，首先要将原始数据转换成格式，对不合理的数据进行规范、剔除、修正，形成可识别的数据类型，然后在ArcGIS中存储SHAPE文件[20]。最后在不需要复杂的拓扑结构的情况下，由自动站和区域自动站采集实时气象数据，并将其转换成 SHAPE文件，便于后期利用 ArcGIS进行有力的地面统计分析。

服务数据处理流程示意图，如图4所示。

图4 服务数据处理流程示意图

由图4可知，将气象观测站采集到的实时数据上传到服务端，由服务端每间隔1小时上传向主机传送一次数据，传送的数据以文件形式存在服务器数据库中。为了减少文件在磁盘中存储所占用的内存，需将文件转换成SQL语句形式存储到数据库中，同时删除地理位置、站点名称和编号信息。

结果分析:从左至右,样品依次编号为1-10号,最右列为2000bp的对照Marker,此电泳结果为A组致病菌的电泳条带:其中2、3、7、8号分别在515bp处出现特异性条带,检测结果为蜡样芽孢杆菌特异性基因;6号分别在407bp和515bp处出现特异性条带,检测结果为嗜水气单胞菌和蜡样芽孢杆菌特异性基因;所有样品均在1176bp处出现内对照条带。

2.2 监测预警功能

当气象灾害发生时，常伴有雷雨或者冰雹等恶劣天气状况。针对气象灾害种类多、危害性大的特点，在对监测预警模块设计时，临时文本文件是通过扫描数据库元素在某一时刻的预设阈值，筛选出符合预设阈值且超出警告值的元素而生成的。调用不同元素的标记符号，按照预先设定的指令，启动音乐报警或短信报警，以实现监控报警功能。

监测预警流程如图5所示。